JP4091788B2 - メカニカルシール装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、ポンプ、攪拌機、研磨機、ロータリージョイント等に用いられるメカニカルシール装置に関する。特に、スラリ−に硬質な粉末を含む流体をシールするのに適したメカニカルシール装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
本発明の関連技術に関し、図３に示すメカニカルシール装置が存在する。図３はこのメカニカルシール１００の半断面図である。
【０００３】
図３に於いて、メカニカルシール１００は、ハウジング１６０内の被密封流体をシールするために、ハウジング１６０と回転軸１３０との間に配置されている。このメカニカルシール１００は、静止用密封環１０５の相対シール面１０６と回転用密封環１０２のシール面１０３が密接してシールするものである。
【０００４】
静止用密封環１０５の外周面は、図示省略のＯリングを介してハウジング１６０に固着されている。この静止用密封環１０５は炭化珪素又は超硬合金材製である。そして、一端の突出した面に相対シール面１０６が形成されている。又、静止用密封環１０５の内周面はスリーブ１３１との間に間隙が形成されている。
【０００５】
一方、静止用密封環１０５に対向する回転用密封環１０２には、対向面にシール面１０３が形成されており、このシール面１０３が相対シール面１０６と密接している。又、回転用密封環１０２のシール面１０３と反対側にはテーパ面１０４が形成されている。この回転用密封環１０２のテーパ面１０４は、リテーナ１１０のテーパ嵌合面１１１に嵌合する。このテーパ嵌合面１１１は、回転用密封環１０２を覆うようにリテーナ１１０の先端内周面に設けられている。
そして、リテーナ１１０の内周面はスリーブ１３１の外周面に移動自在に嵌合して回転用密封環１０２を軸方向へ押圧できるように成されている。このスリーブ１３１は、回転用密封環１０２を回転させると共に保持するために、回転軸１３０に嵌着している。
【０００６】
このスリーブ１３１の一端にはフランジ部１３１Ａが設けられている。このフランジ部１３１Ａにより支持されたスプリング１１５によりテーナ１１０は押圧されてテーパ嵌合面１１１が回転用密封環１０２のテーパ面１０４に嵌合している。そして、リテーナ１１０のテーパ嵌合面１１１により回動密封環１０２を同芯に保持している。
この回転用密封環１０２も炭化珪素、超硬合金、アルミナ等のセラミック等の硬質材製である。尚、リテーナ１１０及びスリーブ１３１は、セラミック等に比べて鉄鋼等の強度を有する軟質材で形成されている。
又、リテーナ１１０の内周面とスリーブ１３１の内周面には各々環状溝が設けられており、この各環状溝に設けられた各々のＯリング１１２、１３２により各内周面と対向周面との間隙をシールしている。
【０００７】
このように構成されたメカニカルシール装置１００は、回転用密封環１０２および静止用密封環１０５の摺動するシール面が耐久能力を発揮できるように炭化珪素等の硬質材料で製作されているが、リテーナ１１０やスリーブ１３１は強度が必要であるから、強度を有する鉄鋼やステンレス鋼で製作されている。このために、鉱石粉や金属粉などを含むスラリーが被密封流体の場合には、メカニカルシール装置１００を取り付けた装置内で被密封流体が処理されている時にメカニカルシール装置に鉱石粉や金属粉など激しく当接するから、このリテーナ１１０、スリーブ１３１、スプリング１１５が研磨されて摩耗することになる。そして、シール面１０３を正常に保持することが困難になり、メカニカルシール装置１００の密封能力を低下させることになる。
【０００８】
又、被密封流体がスラリを含む場合には、回転用密封環１０２のテーパ面１０４とリテーナ１１０のテーパ嵌合面１１１との間にスラリーが介在すると、この両テーパ面１０４、１１１の嵌合間に間隙が生じ、この間隙から被密封流体が漏洩することになる。又、被密封流体が高圧の場合にはリテーナ１１０の前面に圧力が作用してスプリング１１５を圧縮し、シール面１０３の密接力を弱めることになる。
更には、スプリング１１５やリテーナ１１０の内周面等にスラリーや高粘度の被密封流体が付着して作動が悪化すると、回転用密封環１０２のシール面１０３のシール能力を低下させることになる。
【０００９】
更に、メカニカルシール装置１００のリテーナ１１０、スプリング１１５、スリーブ１３１等が被密封流体側へ突出して配置されるので、大型になり装置として不具合になる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上述のような問題点に鑑みてなされたものであって、その技術的課題は、メカニカルシール装置にスラリーに含む硬質な粉末や高粘度のスラリーが接触する場合でも、メカニカルシール装置の部品が摩耗して或いは高粘度のスラリーが付着してシール能力が低下するのを防止することにある。
【００１１】
又、メカニカルシール装置の部品点数を少なくし、部品の製作コストを低減することにある。更に、メカニカルシール装置を小型にして、密封流体を処理する機器内に長く張り出さないようにすることにある。
【００１２】
更に、密封環を固定するドライブピンや密封環を押圧するスプリングを被密封流体から隔離し、被密封流体の不純物がこれらの部品に付着して密封環のシール面の密接応答性の悪化を防止することにある。
又、メカニカルシール装置に被密封流体の圧力が作用して回転用密封環をシール面から離間させるのを防止し、被密封流体の高圧下でも常に密封能力を発揮させることにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上述した技術的課題を解決するために成されたものであって、その技術的手段は以下のように構成されている。
【００１４】
請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置は、ハウジングに取付可能にされて内周面を有するシールカバーと前記シールカバーの前記内周面内に配置された回転軸との間でハウジング内の被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、
外周面が前記シールカバーの前記内周面に移動自在に密封嵌合して被密封流体側の端面にシール面を有する硬質材製の密封環と、
前記密封環と対向に配置されて前記シール面と密接可能な対向シール面を有するとともに内周に嵌合内周面を有する筒部と、前記筒部の被密封流体側の端部に前記回転軸と嵌合可能な貫通孔を設けた有底部とを有する硬質材製の相対回転密封環と、
前記相対回転密封環の前記嵌合内周面と一端の外周部が密封嵌着するとともに前記密封環内を通った筒状の内周の嵌合嵌着面が回転軸と密封に嵌着するスリーブとを具備し、
前記密封環の外周面の直径が前記スリーブの前記外周部の直径より大きくされているものである。
【００１５】
この請求項１に係わる本発明のメカニカルシール装置では、硬質材製の相対回転密封環の被密封流体外の筒部（円筒部とも言う）内にスリーブが配置されており、このスリーブの外周部に嵌着して相対回転密封環が固定されているから、相対回転密封環に覆われたスリーブはスラリー液の被密封流体により研磨されて摩耗したり、高粘度の液体が付着して不具合になるのを効果的に防止できる。その結果、スリーブが摩耗して又は高粘度の液体が付着して相対回転密封環のシール面の面圧が低下するのを効果的に防止できる。
そして、高粘度の被密封流体或いは金属粉等の不純物が含有する被密封流体を処理する機械に適用して被密封流体をシールすることが可能になる。 更に、スリーブの外周部に密封に嵌合している相対回転密封環には、スリーブ側から被密封流体の圧力が作用する受圧面積よりも、スリーブ側へ被密封流体の圧力が作用する受圧面積が大きいから、相対回転密封環がスリーブの外周部から離脱するのが防止できる。このため、相対回転密封環は外周部から取付と取り外しが容易になる。また、メカニカルシール装置の構造を小型にできると共に、その組立を容易にすることが可能になる。
【００１６】
又、メカニカルシール装置に於いて、被密封流体側へ露出する部分は、相対回転密封環のみにすることができるから、高粘度の被密封流体であっても、硬質粉末が含む被密封流体であっても、被密封流体によりシール面が不具合になることがない。
更に、メカニカルシール装置は、硬質でカップ状に形成された相対回転密封環により被密封流体から保護されるから修理交換を不要にすることが可能になる。
【００１７】
請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置は、前記シールカバーの前記内周面内は液体が注入可能な内周室に形成されているとともに、前記液体が前記密封環の前記シール面と反対の背面を通って内周面内に流入可能にされ且つ前記液体は被密封流体の圧力より低圧にされているものである。
【００１８】
この請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置では、内周室内に液体（清水）の圧力が作用するから、密封環のシール面を押圧して対向シール面に密接させるとともに、内周室内の液体の圧力の作用より内周室へ被密封流体の浸入を防止することができる。また、液体の圧力は被密封流体の圧力よりも小さいから、密封環のシール面を摩耗させることなく押圧することができる。さらに、シール面の内方に流入した液体の圧力は、両シール面間にスラリーが浸入するのを、この液体の圧力とシール面の回転時の遠心力により外周側の被密封流体が内方へ浸入するのを効果的に防止できる。
【００１９】
請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置は、前記密封環のシール面と前記シールカバーの前記ハウジング側の端面とをほぼ同一面にするとともに、前記同一面の前記密封環とシールカバーとの間をシールする樹脂材製のリップシールを有するものである。
【００２０】
請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置では、密封環のシール面の近傍までシールカバーに覆われているとともに、シールリップにより内周室へ被密封流体の浸入が阻止されるから、密封環の外周面に粉末や高粘度液体が付着して、密封環の軸方向の応動が摺動不能になるのを効果的に防止できる。また、樹脂材製のシールリップにより、被密封流体に対する耐液性とともに密封環との摺動抵抗を小さくして、密封環の応動に伴うシール能力を長期に渡り発揮させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るメカニカルシール装置の好ましい実施の形態を、図１から図２を参照しながら説明する。
【００２２】
図１は、本発明の第１実施の形態を示すメカニカルシール装置の断面図である。
図１に於いて、１はメカニカルシール装置である。メカニカルシール装置１は、シールカバー５０と回転軸６０との間隔に取り付けられる。シールカバー５０は大径にされたフランジ部５０Ａが設けられている。このフランジ部５０Ａにはボルト穴を設けており、図示省略のハウジングに取り付けられるように成されている。
【００２３】
又、シールカバー５０には、メカニカルシール装置１を取り付ける内周室５１が形成されている。この内周室５１には軸方向へ突出するノックピン５２が結合している。更に、ノックピン５２と同径の位置で同方向へ突出するスプリング１５を配置している。このスプリング１５は内周室５１側のシールカバー５０に設けられた穴に着座して取り付けられている。
【００２４】
内周室５１の被密封流体側Ａの内周面５１Ａには環状溝が設けられている。この環状溝にはフッ素樹脂（例えば、ＰＴＦＥ）材製のリップシール１０が嵌着している。このリップシール１５は密封環２の外周面に密接して被密封流体のスラリ等の浸入をシールする。
【００２５】
密封環２は円筒状に形成されている。この密封環２の被密封流体側Ａの端面にはシール面２Ａが形成されている。又、シール面２Ａの内周はテーパ面２Ｂに形成されてシール面が小面積で摺動抵抗を小さく成るように構成している。更に、密封環２の内周面２Ｃはスリーブ５の外周面よりも大径に形成されて、内周面２Ｃとスリーブ５との間が間隙に形成されて流通路９を構成している。
密封環２のシール面２Ａと反対の他端面には切り欠き２Ｄが設けられてノックピン５２と係止し、密封環２が回動しないように保持している。更に、他端面にはスプリング１５が接合してシール面２Ａを相対回転密封環３側へ押圧している。
【００２６】
更に、密封環２の外周面２Ｅはシールカバー５０の内周面５１Ａとの間にＯリング取付室１１が形成されている。そして、このＯリング取付室１１にはゴム材製のＯリング１２を装着している。そして、Ｏリング１２によりシールカバー５０と密封環２との間をシールする。この外周面２ＥはＤ１の直径に形成されている。
この密封環２は超硬合金、炭化珪素、セラミック、カーボン材等により形成されている。
【００２７】
密封環２のシール面２Ａと密接する対向シール面３Ａを設けた相対回転密封環３は、円筒部３Ｂと有底部３Ｃとから成る有底円筒状に形成されている。この有底部３Ｃには軸心を中心にして回転軸６０が貫通する貫通孔３Ｆに形成されている。
又、円筒部３Ｂの有底部３Ｃと反対の端面には、対向シール面３Ａが形成されている。
更に、円筒部３Ｂの嵌合内周面３Ｄには環状溝を設けており、この環状溝には止めリング（係止部）１３が設けられている。又、有底部３Ｃの底面には止め凹部３Ｅが形成されている。尚、嵌合内周面３Ｄは、直径がＤ２に形成されており、直径Ｄ２は、外周面２Ｅの直径Ｄ１より小径に構成されている。この直径の差Ｄ１＞Ｄ２により相対回転密封環３は、被密封流体の圧力が高圧になっても、止めリングを破損して外周部５Ａより離脱するのが防止される。
この相対回転密封環３は硬質材で形成されている。この硬質材は、例えば、炭化珪素、アルミナ等のセラミック、超硬合金である。特に、密封環２よりも硬質材料にすると良い。
【００２８】
この相対回転密封環３を保持するスリーブ５は、筒部の被密封流体側Ａの端部にフランジ状の外周部５Ａが形成している。この外周部５Ａは相対回転密封環３の嵌合内周面３Ｄに嵌合するように形成されている。又、スリーブ５筒部の内周には回転軸６０と嵌着する内周嵌着面５Ｂが形成されている。更に、外周部５Ａの先端面には、ノックピン１４が打ち込まれて固定している。
このスリーブ５は、筒部における機外側Ｂである他端の厚肉部（取付部とも言う）５Ｃに貫通孔が形成されている。そして、この厚肉部５Ｃに保持リング６が嵌着している。この保持リング６には雌ねじ６Ａが貫通しており、この雌ねじ６Ａに止めねじ７が螺合して貫通孔を通り回転軸６０の円錐穴に係止している。
【００２９】
更に、外周部５Ａの外周面には、段部５Ｄが形成されており、相対回転密封環３の嵌合内周面３Ｄとの嵌合間をシールするために段部５Ｄに第１Ｏリング１６を装着している。
又、スリーブ５の内周嵌着面５ＢにはＯリング溝が設けられており、このＯリング溝には回転軸６０と内周嵌着面５Ｂとの間をシールするために第２Ｏリング１７を装着している。
【００３０】
更に、シールカバー５０の大気側Ｂの内周面とスリーブ５との間にはオイルシール（シール部とも言う）１８が設けられており、このオイルシール１８によりシールカバー５０の内周室５１を密封している。スリーブ５のオイルシール１８と密接する周面は、硬質表面処理により硬質層１９に形成されている。
【００３１】
シールカバー５０は、外周面から内周室５１に貫通する慣用ねじ５３が設けられており、この慣用ねじ５３に図示省略の配管が接続されている。そして、配管から清水が内周室５１へ注入される。この清水によりメカニカルシール装置１を冷却すると共に、清水の圧力の作用により被密封流体の浸入を防止することもできる。尚、清水の圧力は、被密封流体圧力に比較して低圧である。
尚、シールカバー５０とスリーブ５とを組み立てるためにセットプレート２０が取り付けられる。このセットプレート２０をボルト２１を介してシールカバー５０に取り付ける。そして、セットプレート２０はスリーブ５に設けられた外周溝に嵌め込んでスリーブ５の位置決めをする。
【００３２】
このように構成されたメカニカルシール装置１は、回転軸６０が回転するとスリーブ５も回転するから、相対回転密封環３もスリーブ５と共に回転する。
そして、密封環２のシール面２Ａと相対回転密封環３の対向シール面３Ａとは密接しているから被密封流体をシールする。又、相対回転密封環３とスリーブ５との嵌合間は第１Ｏリング１６によりシールされる。更に、シールカバー５０と密封環２との嵌合間はリップシール１０及びＯリング１２によりスラリー状の被密封流体が効果的にシールされる。
【００３３】
このときに、被密封流体が高粘度の液体又は金属粉、鉱石粉を含有するスラリーであっても、密封環２の１部と、カップ状の相対回転密封環３が被密封流体側へ露出しているのみであるから、高粘度の液体が付着してその後に不具合になることもなく、又金属粉等により研磨されても密封環２と相対回転密封環３とは硬質材で構成されているから、摩耗する量が少ない。更に、修理のための部品交換頻度が激減している。これらの効果は実施状況からも認められる。
【００３４】
相対回転密封環３はスリーブ５に嵌着して結合されているから、構造が簡単になる。更に、密封環２はシールカバー５０に嵌合してスプリング１５により押圧された単純な構成であるから、構造が簡単になる。その結果、メカニカルシール装置１を小型に形成できることになる。更に、上述の構成は、小型化により、メカニカルシール装置１を稼働する消費電力が大きく削減できることになる。
【００３５】
図２は、本発明に係わる第２実施の形態に係わるメカニカルシール装置１の断面図である。
図２に於いて、図１のメカニカルシール装置１と相違する点は、密封環２のシール面２Ａをシールカバー５０の被密封流体側Ａの端面５０Ｂとほぼ同一面に形成して密封環２をシールカバー５０と相対回転密封環３により覆うように構成したものである。
【００３６】
このように構成することにより密封環２を被密封流体に接触しないように構成することが可能になる。このために、密封環２を炭化珪素などの硬質材の他に、カーボン等の自己潤滑性の摺動材を用いることが可能になる。
又、相対回転密封環３と外周部５Ａとの接合面の間をシールするＯリング１６の代わりに、外周部５Ａの端面と相対回転密封環３の有底部３Ｃとの間の貫通孔３Ｆ側にシール部１６Ａを設けたものである。このように構成することにより、被密封流体の圧力により相対回転密封環３が外周部５Ａから離間する方向へ作用する受圧面積を小さくし、相対回転密封環３の有底部３Ｃの被密封流体側の全面に被密封流体の圧力が密封環２の方向へ作用するようにして対向シール面３Ａをシール面２Ａに対して効果的に密接できるようにするものである。
尚、止めリング１３は、外周部５Ａと密封環２とを固定すると共に、密封環２がスリーブ５と共に回転するように両部品が周方向に固定されている。
【００３７】
【発明の効果】
請求項１の発明に係るメカニカルシール装置によれば、被密封流体側へ露出している部品は密封環と相対回転密封環のみであるから、被密封流体が高粘度のスラリー液であっても、更には鉱石、金属粉等を含むスラリー液であっても、スラリーが付着して不具合になることもなく、或いはスラリーにより研磨されて摩耗することもなく、シール面のシール効果を発揮させる効果が期待できる。
更に、密封環と相対回転密封環の単純な組み合わせの構成は小型化が可能になり、修理の部品交換頻度を激減できることになる。更には、稼働のための消費電力を低減して省エネルギーの効果も大きくなる。
【００３８】
請求項２に係わる本発明のメカニカルシール装置によれば、密封環の背面からシール面を押圧して対向シール面に密接させ、両シール面間にスラリー等が浸入して摩耗するのを効果的に防止できる。同時に、スラリーがＯリングやリップシールの接合面間から内周室内へ浸入するのも内周室内の液圧力により防止できる。さらに、シール面の内方に流入した液体は、対向シール面の摺動とともに、被密封流体側へ被膜のように押し出されるので、シール面間に浸入した不純物は被密封流体側へ排除されてシール面の摩耗が効果的に防止できる。
【００３９】
請求項３に係わる本発明のメカニカルシール装置によれば、密封環のシール面の近傍までシールカバーに覆われているとともに、リップシールにより密封環の摺動面間へ不純物の浸入が阻止されるから、密封環のシール面の対向シール面に対する密接する応答性が効果的に発揮できる。また、シールリップを樹脂材にして耐液性が向上できるとともに、密封環が軸方向へ応動するときに摺動抵抗を小さくし、長期に渡り密封環のシール能力が向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１実施の形態のメカニカルシール装置の断面図である。
【図２】本発明に係る第２実施の形態のメカニカルシール装置の断面図である。
【図３】従来例のメカニカルシールの半断面図である。
【符号の説明】
１ メカニカルシール装置
２ 密封環
２Ａ シール面
２Ｂ テーパ面
２Ｃ 内周面
２Ｄ 切り欠き
２Ｅ 外周面
３ 相対回転密封環
３Ａ シール面
３Ｂ 円筒部
３Ｃ 有底部
３Ｄ 嵌合内周面
３Ｅ 止め凹部
３Ｆ 貫通孔
５ スリーブ
５Ａ 外周部
５Ｂ 嵌合嵌着面
５Ｃ 厚肉部
５Ｄ 段部
６ 保持リング
６Ａ 雌ねじ
７ 止めねじ
９ 流通路
１０ リップシール
１１ Ｏリング取付室
１２ Ｏリング
１３ 止めリング（係止部）
１４ ノックピン
１５ スプリング
１６ 第１Ｏリング
１７ 第２Ｏリング
１８ オイルシール
１９ 硬質層
２０ セットプレート
２１ ボルト
５０ シールカバー
５０Ａ フランジ部
５１ 内周室
５１Ａ 内周面
５２ ノックピン
６０ 回転軸

Claims (3)

1. ハウジングに取付可能にされて内周面を有するシールカバーと前記シールカバーの前記内周面内に配置された回転軸との間でハウジング内の被密封流体をシールするメカニカルシール装置であって、
   外周面が前記シールカバーの前記内周面に移動自在に密封嵌合して被密封流体側の端面にシール面を有する硬質材製の密封環と、
   前記密封環と対向に配置されて前記シール面と密接可能な対向シール面を有するとともに内周に嵌合内周面を有する筒部と、前記筒部の被密封流体側の端部に前記回転軸と嵌合可能な貫通孔を設けた有底部とを有する硬質材製の相対回転密封環と、
   前記相対回転密封環の前記嵌合内周面と一端の外周部が密封嵌着するとともに前記密封環内を通った筒部の内周の嵌合嵌着面が回転軸と密封に嵌着するスリーブとを具備し、
   前記密封環の外周面の直径が前記スリーブの前記外周部の直径より大きくされていることを特徴とするメカニカルシール装置。
2. 前記シールカバーの前記内周面内は液体が注入可能な内周室に形成されているとともに、前記液体が前記密封環の前記シール面と反対の背面を通って内周面内に流入可能にされ且つ前記液体は被密封流体の圧力より低圧にされていることを特徴とする請求項１に記載のメカニカルシール装置。
3. 前記密封環のシール面と前記シールカバーの前記ハウジング側の端面とをほぼ同一面にするとともに、前記同一面の前記密封環とシールカバーとの間をシールする樹脂材製のリップシールを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のメカニカルシール装置。

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